集裝箱立轉設備架體結構優(yōu)化

葛立臣 權明伍

【摘要】本論文就是依托ANSYS這樣一個高效的計算平臺，以集裝箱立轉裝卸設備為研究對象，利用ANSYS軟件分別從強度、剛度方面對設備主梁進行優(yōu)化設計并計算，運用了有限元法中的一階方法，得到了主梁的最大應力、最大應變和最大位移等計算結果。并對改進后的架體進行有限元分析和模態(tài)分析，通過優(yōu)化產品的性能更大程度的提升，材料的利用率顯著提高。

【關鍵詞】集裝箱裝卸設備；ANSYS；結構優(yōu)化設計

本論文來源于2014年度吉林省高校科技與社科“十二五”科研規(guī)劃項目《集裝箱立轉裝卸設備研究》，立項編號為吉教科合字[2014]第599號。

本課題針對集裝箱在港口的裝運效率，對集裝箱設備的結構優(yōu)化設計，使得吊裝與裝箱動作同時完成，可以實現(xiàn)雙向豎立，且不需要調整運輸車以及集裝箱方向，使用十分方便，較好的提升了干散貨集裝箱的裝運效率與效益。

1、集裝箱立轉設備的結構

1.1設備的概述

QJL-20/350型集裝箱立轉裝卸設備（簡稱為立箱機），是遼源市鑫銳工礦機械制造有限公司（XRC TM，簡稱鑫銳機械）最新研發(fā)制造的一種性能先進的新概念集裝箱裝卸吊運專用設備，主要用于公路汽運干散貨集裝箱的吊運、集裝箱干散貨的立轉裝卸等作業(yè)。1

1.2集裝箱立轉設備的結構組成

QJL-20/350型集裝箱立轉裝卸設備，主要由底座、升降架、立轉架、浮動吊盤、行走架、升降油缸、擺動驅動裝置、行走驅動裝置、電液控制系統(tǒng)等部分組成。

1.3集裝箱立轉設備的工作原理

單箱位轉場式立箱機與雙箱位立箱機具有同樣的集裝箱立轉方式：既可采用單向立轉，亦可采用雙向立轉。其主要區(qū)別是：只能夠容納單個集裝箱寬度，集裝箱運輸車從中部駛入，將集裝箱從運輸車上吊起，運輸車駛離后，方可將集裝箱立轉起來，作業(yè)時要求備有用來倒箱的空集裝箱運輸車輛。在需要較遠距離轉移裝卸場地時，可采用由集裝箱運輸車輛背負方式轉場作業(yè)。

2、設備的主梁結構優(yōu)化

主梁主要承受集裝箱的重量，它是實現(xiàn)立轉加載的重要原件，承受的載荷為180KN。主梁是由鋼塊兩條，16Mn鋼板t16-3件組成。

2.1主梁拓撲優(yōu)化

插入一個displacement，選中梁側面，約束xyz三個方向的自由度。插入一個force，選中模型上端的印記面，在分量Y輸入-50000N。插入一個shape finder。選中中梁，設置target reduction為90%。右鍵solution點擊solve，求解結果如圖所示。

橙色代表可去除的區(qū)域，灰色表示保留區(qū)域。由表格可知，原始質量為676.04kg，優(yōu)化后質量為162.54kg，減重接近90%。

2.2拓撲設計后的靜力學分析

根據拓撲分析，16Mn鋼板t16-3件中間的鋼塊替換成28b工字鋼-2條。

2.2.1分配材料：選中如圖3-28所示模型，選擇材料為16Mn，設置材料為Q235；設置網格element size為40mm；右鍵mesh插入一個sizing，選中梁兩端側面，設置element size為8mm；右鍵mesh插入一個sizing，選中梁兩端側面，設置element size為2mm；右鍵mesh，點擊generate mesh；通過計算得到單元個數(shù)為45924，節(jié)點數(shù)是222000。

2.2.2添加約束和載荷：插入一個displacement，選中梁側面，約束xyz三個方向的自由度；插入一個force，選中模型上端的印記面，在分量Y輸入-50000N；右鍵點擊solve，求解。得到優(yōu)化后的等效應力分布云圖，最大應力為199.46MPa。得到相對應的總體變形云圖，變形最大值為1.6494mm。材料安全系數(shù)最小值為1.2534（當安全系數(shù)低于1時表示材料失效）。

2.2.3拓撲優(yōu)化設計前后結果對比：通過優(yōu)化設計，對比主梁改進前與改進后優(yōu)化結果，更改設計后的模型質量比原來減少了84%，但是最大應力和最大變形的變化卻仍在材料的許用范圍內，因此拓撲優(yōu)化后的模型結構強度依然滿足結構要求。

3、集裝箱立轉設備架體結構優(yōu)化

3.1改進前系統(tǒng)結構的約束方式

由于實際作業(yè)過程中，由于架體下端與底座相連，所以沒有針對底座構建優(yōu)化模型；也就說沒有按照理論上的沒有對底座進行約束，只是對架體下端進行約束而已，約束的依據是：集裝箱立轉設備立轉架與底座之間的相對靜止關系。以此得到了該集裝箱立轉設備架體準確的約束方式，為實際工程中，約束的處理提供了參考依據。本文主要是通過對架體進行減值原則約束，并計算分析，最終得出當立轉設備的行走架位于跨中位置時，其變形來源于豎直方向。

3.2集裝箱立轉設備架體進行拓撲優(yōu)化后結構分析

基于系統(tǒng)結構拓撲優(yōu)化結果，在材料允許的范圍內以及保證結構強度的基礎上，進行系統(tǒng)結構拓撲優(yōu)化：

3.2.1剛度計算

工況一：行走架位于架體跨中，加載重力載荷，沒有風荷載和工作荷載作用，該種工況下剛度計算結果對應的總體變形云圖如圖所示：

工況二：行走架位于架體跨中，同時考慮工作荷載以及重力荷載，該種工況下剛度計算結果對應的總體變形云圖如圖所示：

3.2.2強度計算

工況三：行走架位于主梁中間，滿載靜止（考慮靜載荷載作用），考慮集裝箱自重，同時施加立轉架承受的彎矩。該種工況下強度計算結果相應的總體變形云圖如圖所示：

工況四：行走架在一端，滿載后，向水平面回轉時，立轉架承受扭矩，考慮機體自重。該種工況下強度計算結果對應的總體變形云圖如圖所示：

3.2.3改進后架體結構有限元計算結果

根據以上計算工況，集裝箱立轉設備架體結構所對應的的最大剛度及應力如表3-1所示：

表3-1 系統(tǒng)優(yōu)化后有限元計算結果

當行走架在一端，滿載后，向水平面回轉時，立轉架承受扭矩，考慮機體自重。從上述分析中可以看出，最大的結構應力值是209.28MPa，在許用力范圍內，由此可見，其結構設計符合所有工況的使用要求。從改進后的有限元分析結果可以看出，當滿載時，立轉設備的強度和剛度都滿足使用要求；同時可以看出，其中有三種工況存在應力變形且變形均是增加的，但是變形增加幅度在材料性能允許范圍內的。

結論

1）主梁優(yōu)化后的強度上升了，同時也就對材料起到的充分利用。

2）在ANSYS模塊中直接構建參數(shù)化模型的方式，可以節(jié)約了大量的時間，進而提升了設計效率。

3）優(yōu)化后，架體的質量大幅的減少，這樣做的意義很大，一是節(jié)省材料，經濟性就上去了。二是輕化結構，充分發(fā)揮材料的性能。

參考文獻

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